单轴抗压强度课件

第四节岩石的力学性质一、岩石的强度

岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力称岩石的强度（strengthofrock）。第四节岩石的力学性质一、岩石的强度11、岩石强度试验的基本要求岩石的固有性质：凡是不受试件的形状尺寸采集地采集人等影响而保持不变地特征，如岩石地颜色，密度等都是岩石地固有性质。1、岩石强度试验的基本要求岩石的固有性2用试验来确定各种岩石强度指标值地影响因素试件尺寸试件形状试件三维尺寸比例加载速率湿度用试验来确定各种岩石强度指标值地影响因素试件尺32、单轴抗压强度

岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度（uniaxialcompressivestrength），或称为非限制性抗压强度（unconfinedcompressivestrength）。国际上通常把单轴抗压强度表示为UCS，我国习惯于将单轴抗压强度表示为，其值等于达到破坏时的最大轴向压力P除以试件的横截面积A，即（1－14）

2、单轴抗压强度岩石在单轴压缩荷载作用下4

试件在单轴压缩荷载作用下破坏时，在测件中可产生三种破坏形式：（1）X状共扼斜面剪切破坏（2）单斜面剪切破坏（3）拉伸破坏

试件形状可以时立方体（50mm×50mm×50mm或70mm×70mm×70mm），也可以是圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体，圆柱体直径一般小于50mm，圆柱体试件长度与直径之比（）对试验结果有很大影响。以表示实际的岩石单轴抗压强度，以表示试验所测得的岩石单轴抗压强度，用公式表示为，即

（1－15）试件在单轴压缩荷载作用下破坏时，在测件中可产生53）3种破坏形式：1.X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式。2.单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏。3.拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。3）3种破坏形式：63、三轴抗压强度点荷载强度指标（pointloadstrengthindex）是一种最简单的岩石强度试验，其试验所获得的强度指标可用做岩石分级的一个指标，有时可代替单轴抗压强度。4、点荷载强度指标岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压力称为岩石的三轴抗压强度（triaxialcompressivestrength）或限制抗压强度（confinedcompressivestrength）。3、三轴抗压强度点荷载强度指标（poin7点荷载试验所获得的强度指标用（indexofstrength），其值等于，

（1－16）ISRM将直径为50mm的圆柱体试件径向加载试验的强度指标值（50）确定为标准试验值，其他尺寸试件的试验结果需要公式（1－17）进行修正。（1－17）

（当D≤55mm时）（1－18）

（当D＞55mm时）（1－19）点荷载试验所获得的强度指标用（index8

进行现场岩石分级时需用作为点荷载强度指标。可由下式转换为单轴抗压强度：（1－20）式中为L:D=2:1的试件单轴抗压强度5、抗拉强度

岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度（tensilestrength），或简称为抗拉强度。通常以T或表示抗拉强度，其值等于达到破坏时的最大轴向拉伸荷载除以试件的横截面积A，即

（1－21）进行现场岩石分级时需用作为点荷载96、抗剪切强度岩石在在剪切荷载作用下达到破坏所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（shearstrength）。剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切强度试验（confinedshearstrengthtest）二类。6、抗剪切强度岩石在在剪切荷载作用下达到破坏10非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。典型的非限制性剪切强度试验有四种：单轴剪切试验、双面剪切试验、冲击剪切试验和扭转剪切试验。非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没11

非限制性剪切强度记为S0，其值由下列公式计算：（a）单面剪切试验（1－26）

式中，为试件被剪断前达到的最大剪力，A为试件沿剪切方向截面积（㎡）（b）双面剪切试验（1－27）

（c）冲击剪切试验（1－28）

（d）扭转剪切试验（1－29）

式中，为试件被剪断前达到的最大扭距（N·m）；D为试件直径（m）非限制性剪切强度记为S0，其值由下列公式计算：127、破坏后强度（post-failurestrength）

在通常的材料试验机条件下，在试件达到峰值强度前，试件的变形是逐步的和缓慢的，当达到峰值强度后，试件将发生突发性的破坏，试件被崩裂，岩石碎块向四面飞射，并伴随很大的声响，试验突然停止。全应力－应变曲线除能全面显示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特征，特别是破坏后的强度与力学性质变化规律外，还有以下三方面：

a、预测岩爆b、预测蠕变破坏c、预测循环加载条件下岩石的破坏7、破坏后强度（post-failurestrength）13二、岩石的变形性质1、概述

岩石变形有弹性变形塑性变形和粘性变形三种。弹性（elasticity）物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力（卸载）后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。塑性（plasticity）物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。粘性（viscosity）物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。二、岩石的变形性质1、概述142、单轴压缩条件下岩石变形特征

由全应力－应变曲线可将岩石的变形分为下列四个阶段：

a、孔隙裂隙压密阶段b、弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段c、非稳定破裂阶段，或称累进性破裂阶段d、破裂后阶段2、单轴压缩条件下岩石变形特征由全应力－应变15

根据峰值前的应力－应变曲线将岩石分成六种类型：

类型Ⅰ应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件发生突然破坏为止。

类型Ⅱ应力较低时，应力－应变曲线近似于直线，当应力增加到一定数值后应力－应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小。

类型Ⅲ在应力较低时，应力－应变曲线略向上弯曲，当应力增加到一定数值后，应力－应变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。

类型Ⅳ应力较低时，应力－应变曲线向上弯曲，当压力增加到一定值后，变形曲线成为直线，最后，曲线向下弯曲，曲线似S型。

类型Ⅴ基本上与类型Ⅳ相同，也呈S型。

类型Ⅵ应力－应变曲线开始先有很小一段直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。这是岩盐的应力－应变特征曲线，某些软弱岩石也具有类似特性，这类材料被称为弹－粘性体。根据峰值前的应力－应变曲线将岩石分成六种类型：163、反复加载与卸载（循环荷载）条件下的岩石变形特征

在岩石工程中，常常会遇到循环荷载作用，岩石在这种条件下破坏时的应力往往低于其静力状态。

4、三轴压缩条件下的岩石变形特征

三轴压缩条件下的岩石变形通过三轴试验进行研究。岩石类型转化压力/MPa岩石类型转化压力/MPa盐岩0石灰岩20～100白垩＜10砂岩＞100密实岩石0～20花岗岩≥100

表1－12几种岩石的转化压力（室温）3、反复加载与卸载（循环荷载）条件下的岩石变形特征岩石类型175、岩石变形指标及其确定岩石的变形特性通常用弹性模量变形模量和泊松比等指标。a、弹性模量应力与应变的比率被称为岩石的弹性模量E。其应力－应变关系为下列直线方程：（1－31）如果岩石的应力－应变关系不是直线，而是曲线，但应力与应变之间有着惟一的关系，即（1－32）

b、泊松比岩石的横向应变与纵向应变的比值称为泊松比，即（1－37）

岩石的变形模量和泊松比受岩石矿物组成结构构造风化程度空隙性含水率微结构面及与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。5、岩石变形指标及其确定18

除变形模量和泊松比两个最基本的参数外，还有一些从不同角度反映岩石变形性质的参数。如剪切模量拉梅模量及体积模量等。这些参数与变形模量及泊松比之间有如下关系：（1－38）（1－39）（1－40）除变形模量和泊松比两个最基本的参数外，还有一196、岩石的扩容

岩石的扩容现象是岩石具有的一种普遍性质，是岩石在荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。7、岩石的各向异性

岩石的全部或部分物理力学性质随方向不同而表现出差异的现象称为岩石的各向异性。6、岩石的扩容20

关于各向异性体的应力－应变关系有四种情况：

a、极端各向异性体的应力－应变关系

特点：任何一个应力分量都会引起六个应变分量，也就是说正应力不仅能引起线应变，也能引起剪应变；剪应变不仅能引起剪应变，也能引起线应变。

b、正交各向异性体的应力－应变关系c、横观各向同性体的应力－应变关系

横观各向同性体是各向异性体的特殊情况。

d、各向同性体

若物体内的任一点沿任何方向的弹性都相同，则这样的物体称为各向同性体。在各向同性体的弹性参数中只有二个是独立的，即弹性模量和泊松比。NextsectionFormersectionreturn关于各向异性体的应力－应变关系有四种情况：Next21第四节岩石的力学性质一、岩石的强度

岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力称岩石的强度（strengthofrock）。第四节岩石的力学性质一、岩石的强度221、岩石强度试验的基本要求岩石的固有性质：凡是不受试件的形状尺寸采集地采集人等影响而保持不变地特征，如岩石地颜色，密度等都是岩石地固有性质。1、岩石强度试验的基本要求岩石的固有性23用试验来确定各种岩石强度指标值地影响因素试件尺寸试件形状试件三维尺寸比例加载速率湿度用试验来确定各种岩石强度指标值地影响因素试件尺242、单轴抗压强度

岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度（uniaxialcompressivestrength），或称为非限制性抗压强度（unconfinedcompressivestrength）。国际上通常把单轴抗压强度表示为UCS，我国习惯于将单轴抗压强度表示为，其值等于达到破坏时的最大轴向压力P除以试件的横截面积A，即（1－14）

2、单轴抗压强度岩石在单轴压缩荷载作用下25

试件在单轴压缩荷载作用下破坏时，在测件中可产生三种破坏形式：（1）X状共扼斜面剪切破坏（2）单斜面剪切破坏（3）拉伸破坏

试件形状可以时立方体（50mm×50mm×50mm或70mm×70mm×70mm），也可以是圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体，圆柱体直径一般小于50mm，圆柱体试件长度与直径之比（）对试验结果有很大影响。以表示实际的岩石单轴抗压强度，以表示试验所测得的岩石单轴抗压强度，用公式表示为，即

（1－15）试件在单轴压缩荷载作用下破坏时，在测件中可产生263）3种破坏形式：1.X状共轭斜面剪切破坏，是最常见的破坏形式。2.单斜面剪切破坏，这种破坏也是剪切破坏。3.拉伸破坏，在轴向压应力作用下，在横向将产生拉应力。这是泊松效应的结果。这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。3）3种破坏形式：273、三轴抗压强度点荷载强度指标（pointloadstrengthindex）是一种最简单的岩石强度试验，其试验所获得的强度指标可用做岩石分级的一个指标，有时可代替单轴抗压强度。4、点荷载强度指标岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压力称为岩石的三轴抗压强度（triaxialcompressivestrength）或限制抗压强度（confinedcompressivestrength）。3、三轴抗压强度点荷载强度指标（poin28点荷载试验所获得的强度指标用（indexofstrength），其值等于，

（1－16）ISRM将直径为50mm的圆柱体试件径向加载试验的强度指标值（50）确定为标准试验值，其他尺寸试件的试验结果需要公式（1－17）进行修正。（1－17）

（当D≤55mm时）（1－18）

（当D＞55mm时）（1－19）点荷载试验所获得的强度指标用（index29

进行现场岩石分级时需用作为点荷载强度指标。可由下式转换为单轴抗压强度：（1－20）式中为L:D=2:1的试件单轴抗压强度5、抗拉强度

岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度（tensilestrength），或简称为抗拉强度。通常以T或表示抗拉强度，其值等于达到破坏时的最大轴向拉伸荷载除以试件的横截面积A，即

（1－21）进行现场岩石分级时需用作为点荷载306、抗剪切强度岩石在在剪切荷载作用下达到破坏所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（shearstrength）。剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验（unconfinedshearstrengthtest）和限制性剪切强度试验（confinedshearstrengthtest）二类。6、抗剪切强度岩石在在剪切荷载作用下达到破坏31非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。典型的非限制性剪切强度试验有四种：单轴剪切试验、双面剪切试验、冲击剪切试验和扭转剪切试验。非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没32

非限制性剪切强度记为S0，其值由下列公式计算：（a）单面剪切试验（1－26）

式中，为试件被剪断前达到的最大剪力，A为试件沿剪切方向截面积（㎡）（b）双面剪切试验（1－27）

（c）冲击剪切试验（1－28）

（d）扭转剪切试验（1－29）

式中，为试件被剪断前达到的最大扭距（N·m）；D为试件直径（m）非限制性剪切强度记为S0，其值由下列公式计算：337、破坏后强度（post-failurestrength）

在通常的材料试验机条件下，在试件达到峰值强度前，试件的变形是逐步的和缓慢的，当达到峰值强度后，试件将发生突发性的破坏，试件被崩裂，岩石碎块向四面飞射，并伴随很大的声响，试验突然停止。全应力－应变曲线除能全面显示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特征，特别是破坏后的强度与力学性质变化规律外，还有以下三方面：

a、预测岩爆b、预测蠕变破坏c、预测循环加载条件下岩石的破坏7、破坏后强度（post-failurestrength）34二、岩石的变形性质1、概述

岩石变形有弹性变形塑性变形和粘性变形三种。弹性（elasticity）物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力（卸载）后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。塑性（plasticity）物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。粘性（viscosity）物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。二、岩石的变形性质1、概述352、单轴压缩条件下岩石变形特征

由全应力－应变曲线可将岩石的变形分为下列四个阶段：

a、孔隙裂隙压密阶段b、弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段c、非稳定破裂阶段，或称累进性破裂阶段d、破裂后阶段2、单轴压缩条件下岩石变形特征由全应力－应变36

根据峰值前的应力－应变曲线将岩石分成六种类型：

类型Ⅰ应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件发生突然破坏为止。

类型Ⅱ应力较低时，应力－应变曲线近似于直线，当应力增加到一定数值后应力－应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小。

类型Ⅲ在应力较低时，应力－应变曲线略向上弯曲，当应力增加到一定数值后，应力－应变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。

类型Ⅳ应力较低时，应力－应变曲线向上弯曲，当压力增加到一定值后，变形曲线成为直线，最后，曲线向下弯曲，曲线似S型。

类型Ⅴ基本上与类型Ⅳ相同，也呈S型。

类型Ⅵ应力－应变曲线开始先有很小一段直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。这是岩盐的应力－应变特征曲线，某些软弱岩石也具有类似特性，这类材料被称为弹－粘性体。根据峰值前的应力－应变曲线将岩石分成六种类型：373、反复加载与卸载（循环荷载）条件下的岩石变形特征

在岩石工程中，常常会遇到循环荷载作用，岩石在这种条件下破坏时的应力往往低于其静力状态。

4、三轴压缩条件下的岩石变形特征

三轴压缩条件下的岩石变形通过三轴试验进行研究。岩石类型转化压力/MPa岩石类型转化压力/MPa盐岩0石灰岩20～100白垩＜10砂岩＞100密实岩石0～20花岗岩≥100

表1－12几种岩石的转化压力（室温）3、反复加载与卸载（循环荷载）条件下的岩石变形特征岩石类型385、岩石变形指标及其确定岩石的变形特性通常用弹性模量变形模量和泊松比等指标。a、弹性模量应力与应变的比率被称为岩石的弹性模量E。其应力－应变关系为下列直线方程：